自升式钻井平台系统中的桩靴结构强度研究

张大伟

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

随着能源需求量日益增加，石油需求持续增长，但陆地石油资源逐步渐少，海洋油气开发越来越受关注。对海洋自升式钻井平台普遍应用在不超过200m近海海域石油开采活动。而平台作业在50m以上时，便需设计桩靴结构，由于此种结构起着积极的推动作用，可让海床土壤对该平台获得非常高的承载力，很多桩靴均具有一个明显的锥点，使桩腿插入深度更小及浅桩靴插入滑移风险较小，保障就位作业安全，便于平台顺利实施插、拔桩作业。尤其平台在抬升条件下，维持整体平台平稳安全地位于海床上，防止桩腿受到损害，使桩身保持端正姿态，更好地进入到土层持力层，实施钻井作业。所以科学合理设计桩靴保持一定的结构强度，有助于保障整体平台安全性能。自升式钻井平台处于非常恶劣的作业环境当中，不同类型载荷工况较为复杂，所以，着重分析及计算桩靴结构，这是此平台设计的关键。马延德等研究中具体分析了CJ70自升式钻井平台桩靴结构强度，阐述了部分原理及手段，而讨论关键为桩腿计算，对桩靴部分只给出了理论公式，缺少具体的计算；胡安康等研究中参照美国船级社(ABS)规范对400英尺水深自升式平台中两类桩靴结构形式进行完善，同时做出了分析及比较，得出了一类比较好的桩靴结构形式，而在计算具体强度方面，并不具体。以下结合对其的了解，以某自升式平台的桩靴为例，进行分析研究如下。

1 平台介绍及背景

自升式钻井平台属于一个海上平台，它的构成包括驳船形船体、钻台、上建与升降装置等。桩靴一般是把船体支撑在水面上，为更好的实施水瞄占井作业，其结合不同地域水深状况来合理调整平台作业水深高度，抵抗风力传递作业载荷等。以某自升式平台的桩靴为例，该钻井平台构成部分包括主船体、桩腿、悬臂梁及直升飞机平台等结构组成。船体形状接近三角形箱型平底结构，平台艏艉中桩腿下端携带桩靴。

2 桩靴结构模型

2.1 有限元模型

有限元法属于一种数值技术用作求解偏微分方程边值问题近似解。在桩靴结构有限元建模中一般使用有限元程序移动交换中心。前后处理/求解MSC．Patran/Nastran。为防止影响到渗流场的等势线分布、流线分布、井产量等，桩靴结构分析模型涵盖了整体桩靴及与桩靴底部相距16．82m位置的部分桩腿。整体分析模型构成包括板、梁单元，桩靴的板材通过板单元实施模拟，桩腿的弦杆、撑杆通过梁单元进行模拟，板、梁单元的过渡利用媒体播放器MPC单元来连接。

2.2 边界条件

边界条件，也就是运动边界上方程组解需达到的条件。有限元计算，不管是Ansys，还是comsol等，归结为就是解微分方程。桩靴插入海底过程可认为是一种输入与输出间紧密配合和相互影响的耦合过程，也即桩靴底部和海底底基二者之间的耦合，因为桩靴与底基彼此之间会产生作用，在此过程当中，底基性质变化是一种非线性接触。

2.3 许用应力

桩靴结构材料强度有高强度与甚高强度，杨氏模量（用于描述固体材料抵抗形变能力）E=206800MPa；泊松比（材料单向受拉或受压时，横向与轴向的正应变的绝对值的比值）ν=0．3。依据ABS规范，安全系数为1．11。以EH36/DH36/AH36为例，其屈服应力355MPa、安全系数1．11、许用应力320/MPa。再如EQ70的屈服应力690MPa、安全系数1．11、许用应力621/MPa。

3 桩靴荷载分析

3.1 偏心荷载

偏心荷载，水平荷载在一些条件下将会通过偏心形式作用到群桩基础上，继而产生较复杂的桩土响应。因为海底地形非常崎岖，会受海水冲刷影响，一定程度上使得桩靴底部受力不均匀而产生偏心情况，依照规范需求，把桩靴所受最大支反力均匀遍布到一半桩靴底面积上对偏心现象给桩靴强度造成的影响考虑在内。因为桩靴形状缺少对称性，形成了偏心荷载Eccentric load case 1(LC6)及2(LC7)两类偏心工况。

3.2 风荷载

风荷载（wind load），空气流动给工程结果造成的压力。风载荷很大程度上影响平台稳定性，它形成的力矩几乎在全部载荷总力矩中占一半左右，所以，风载荷计算的准确性在校准平台桩腿强度方面起到突出意义。遵照船级社相关要求，风暴自存工况下，设计的无限制区域作业平台风速至少100kn以上。

于风暴自存工况条件下，桩靴底面积不但要承受最大的支反力，同时还承受水平剪力施加的影响，此种水平剪力与风暴自存工况桩靴得到的最大支反力是相等的，且遭受剪力。此外，还需将影响桩腿叠加的环境载荷及P-△效应考虑在内，通过桩腿强度的测算得出。另外，加载35%Lower Guide位置的最大弯矩也包含在内，此弯矩加载方式以环形舱壁为走向从垂直方向上添加点载荷，不同舱壁中载荷在大小上存有差异，继而生成力矩。

把上述点载荷调整在合理范围，让它的合力矩值与35%Lower Guide位置的最大弯矩保持相等。这时上述点载荷总体垂直方向的力是F，那么将压力载荷施加至与整体桩靴底板相垂直的表面，让此压力在垂直方向的分力与最大支反力减去Fv保持相等，借助此种手段，可对力矩M、垂向支反力载荷实施同时增加。这时的工况也就是风荷载Storm survival case(LC5)。

3.3 预压荷载

“预压荷载”即先将荷载施加到承载物，让承载物压力先达至设计预压值，接着趋于正常载荷的流程。平台主体依据钻井作业需求，上升举升，在还未达到规定要求高度开始前，一定要对所有桩腿实施预压，让桩腿底基所受载荷能稍微至风暴条件下，会形成最大轴向力。按照总体强度。进行测算，预压载工况条件下，平台各桩靴所受最大垂向力1．12073×105kN，因为海底底基存有差异，桩靴不同于海底接触范畴，选取6类工况，同时在不超出接触范畴内通过均布力形式加载到桩靴底部。

桩靴内圈以2．4375m作为半径，剩下的3个环形 舱 壁 各 是 A：r=4．5725m、B：r=6．8025m、C：r=8．9925m。桩靴底部和水平所呈的夹角是10．12°计算时，如果桩靴底部与海底在不超过接触范围条件下承受均布压力P，该压力和接触面保持垂直，但最大升桩力加上桩腿重力所受的力为1．12073×105kN，与水平面保持垂直，且方向向下，在坚持平衡原理条件下，二者于垂向上矢量总和为零。

4 生存概况

生存工况即平台在承受极端环境载荷过程中，终止钻井，同时尚能自存，对生存工况而言，可变载荷较钻井具有比较小的作业工况，而承受较大的环境载荷。在此种条件下，平台主体在重力及风力作用影响下，桩腿会遭受许多联合作用的影响，如浮力、重力等施加的作用。生存工况状态下，结合环境载荷等一些作用，桩靴底部和海底接触的范围并非是均布载荷。

工况分析时，在三角载荷的协助下，对桩靴底部所受载荷实施模拟。同时加载水平方向的力，弯矩均与环境载荷保持大小相等，但方向不同。分析水深不一样条件下自升式钻井平台0°、90°及180°各桩靴承受的力的状况，在各类深度下，桩靴承受三种不同方向的力，分别是水平力、垂向力、36%平台倾覆力承受水平力H，垂向力V以及35%的平台倾覆力矩M。各记作H、V、M，测出总强度，便可得到上述值。

对环境载荷下的总强度进行计算，桩靴底部受到垂向力与弯矩。弯矩通过三角载荷形式加载至桩靴底面，经过简化，通过公式P(x)=kx+b，D/2＜x＜D/2进行描述。

在该公式中，D表示桩靴底面的投影直径。经过计算，得出结果数据，针对全部工况下的载荷分布，挑选出比较严重的工况，获得生存条件下的计算工况。如环境载荷方向：A：0°、B：90°、C：180°，弯矩M：A：5．26693×105kN·m、B：5．58223×105kN·m、C：5．03000×105kN·m。

5 结果分析

针对桩靴结构各工况进行分析，并计算，接着比较结果并汇集。工况计算过后，仅给出桩靴不同结构最大应力相对应的计算工况，桩靴结构应力结果汇总如下。

桩靴底板：计算工况（预压载）H3、最大范式等效Von Mises应力250MPa、许用应力320MPa、UC0．78；三角过渡舱壁：计算工况（预压载）H3、最大范式等效Von Mises应力471MPa、许用应力495MPa、UC0．0．95；环形舱壁：计算工况（预压载）H3、最大范式等效Von Mises应力287MPa、许用应力 320MPa、UC0．780．90；梁单元最大合成应力：计算工况（预压载）A、最大范式等效Von Mises应力271MPa、许用应力 320MPa、UC0．0．85。

6 结语

桩靴结构是整体海洋平台结构十分关键的环节。在具体分析对象上，选取特定自升式钻井平台，分析其桩靴结构，成功构建了桩靴强度分析力学模型，在仿真程序帮助下，构建了结构有限元分析模型，研究了该平台桩靴的载荷精简后的分析手段。分析了其结构强度，遵照相关规范要求，结合实际环境，分析并研究了几类工况情况，一些是危险工况，也即是我们认为的偏心工况，这时桩靴内部承受非常大的应力。本次研究分析了预压载与生存工况下结构强度情况，同时做出评估。这方面的结论如下。

①针对桩靴结构强度分析，获得了其工程化分析流程；②从桩靴计算结果来看，其的主控工况为预压载工况；③借助有限元软件进行分析，桩腿连接的三条120°三角形过渡舱壁、桩靴内弦杆、桩腿与桩靴连接处肘板主要通过桩靴结构进行支撑，这些地方的应力水平非常高，这些部位在设计时，需要切实注意；④桩靴底部受力面积逐步增大同时，桩靴结构在应力分布方面得以优化。

平台的总体设计包含了诸多要素，各要素间的关系十分紧密，且是一个十分复杂的过程。在自升式钻井平台设计方面，桩腿与桩靴结构强度等的计算是结构分析当中较为关键的内容，为后续结构分析工作的开展创造了前提条件。以上结构包含的结构计算原理及载荷种类复杂，不易进行计算，给具体工作开展带来了一定的难度，设计者需要结合平台作业的特征，同时参照相关需求，明确不同的主要要素，以让设计结果适用，且合适，不存在冗余的情况。事实上桩靴结构强度在有限元计算下结果证实符合强度需求，该平台桩靴得到了相关认证，且在具体实际设计中得到使用。该次研究可为结构设计与强度分析提供较好的引导及帮助。

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